巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程和堆積特征的影響研究

張恩銘，程謙恭,2，林棋文，謝 宇，王玉峰,2，姚志勇，孫先鋒

（1.西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系,四川 成都 611756；2.高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室（西南交通大學(xué)）,四川 成都 611756；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043）

大型巖質(zhì)滑坡具有高位、隱蔽性強(qiáng)和高速遠(yuǎn)程等特點(diǎn)[1-2]，嚴(yán)重威脅著周邊及山前平原地區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[3-5]。近年來，我國(guó)深受這類災(zāi)害的威脅。2019年7月23日，貴州省六盤水市水城縣雞場(chǎng)鎮(zhèn)山體斜坡，在持續(xù)降雨等影響下失穩(wěn)啟動(dòng)，隨后演化為碎屑流，攜帶著巨大能量進(jìn)行刮鏟和堆積，沿途沖擊和掩埋多處居民建筑，最終造成約1 600 余人受災(zāi)、20 余幢房屋被埋、43 人遇難、9 人失聯(lián)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1.9 億元[6]。2008年5月12日汶川8.0 級(jí)大地震誘發(fā)了大量的大型巖質(zhì)滑坡，其中發(fā)生在青川縣的東河口滑坡，在短時(shí)間內(nèi)以大于20 m/s 的速度沖入前沿的紅石河，并在對(duì)岸爬高70 m 后繼續(xù)向前滑行1.5 km，摧毀了整個(gè)東河口村，約700 人被掩埋[7]。2009年6月，重慶市武隆縣發(fā)生大規(guī)?；?，體積約為50×106m3的巖體發(fā)生整體滑移，運(yùn)動(dòng)速度極快，并在較短時(shí)間內(nèi)迅速解體，越過坡體前緣溝谷后沖向?qū)Π?。由于?duì)岸山體的阻擋作用，大量滑體物質(zhì)轉(zhuǎn)向，沿溝谷向下游運(yùn)動(dòng)，形成長(zhǎng)2 200 m，厚30 m 左右的堆積區(qū)，導(dǎo)致12 幢房屋損毀，并且掩埋正在開采的礦井入口，造成10 人傷亡，64 人失蹤，8 人受傷[8]。由此可見，大型巖質(zhì)滑坡破壞性極強(qiáng)且發(fā)生突然，應(yīng)充分了解其致災(zāi)范圍，在早期對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并提前防范，將災(zāi)后損失降到最低。因此，十分有必要對(duì)巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離和堆積特征進(jìn)行相關(guān)研究。

目前關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)和堆積過程的影響尚未充分研究，已經(jīng)存在的動(dòng)力學(xué)模型及其數(shù)值模擬方法也很少考慮巖體結(jié)構(gòu)[9]。但是巖體結(jié)構(gòu)往往伴隨整個(gè)大型巖質(zhì)滑坡的滑動(dòng)過程，控制破壞機(jī)制與運(yùn)動(dòng)方式。在滑坡源區(qū)，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成不連續(xù)體，其運(yùn)動(dòng)特征同完整巖體有很大區(qū)別，不同產(chǎn)狀、規(guī)模、組合情況和粗糙程度的結(jié)構(gòu)面切割后的塊體的運(yùn)動(dòng)特征和堆積特征也各不相同[10]。Pollet 等[11]在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)Flims 滑坡源區(qū)滑體為巨型塊狀灰?guī)r，在運(yùn)動(dòng)過程中雖發(fā)生一定程度的破碎，但堆積體的巖層層序仍與源區(qū)的層序極為相似；而發(fā)生在四川茂縣的新磨村滑坡，由于該處倒轉(zhuǎn)褶皺和斷裂較為發(fā)育，因此源區(qū)巖體中包含多組結(jié)構(gòu)面，滑體在滑動(dòng)過程中不斷發(fā)生破碎，轉(zhuǎn)變成高速碎屑流向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)不斷的碰撞耗能最終沉積下來[2,12-16]。可見，巖體結(jié)構(gòu)差異會(huì)使得滑體表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式和能耗模式，使得致災(zāi)范圍有著顯著區(qū)別[17]。所以明確源區(qū)不同結(jié)構(gòu)類型巖體對(duì)大型巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)距離和堆積特征的影響規(guī)律是十分有意義的[18]。

近年來，部分學(xué)者在滑坡運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究中考慮了巖體結(jié)構(gòu)的影響。Manzella[19]通過使用相似塊體和碎屑顆粒進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)源區(qū)中堆疊整齊的塊體的運(yùn)動(dòng)速度要快于隨機(jī)疊放的相似塊體和松散碎屑顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，并且有著更遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)距離；Bowman等[20]通過使用含有結(jié)構(gòu)面的煤塊，在離心機(jī)內(nèi)小規(guī)模再現(xiàn)脆性巖體的動(dòng)力破碎過程；Haug 等[21]使用相似塊體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，通過改變物源區(qū)相似塊體的高寬比等條件，發(fā)現(xiàn)源區(qū)塊體的不同結(jié)構(gòu)最終會(huì)直接影響滑塊的破碎程度，并間接影響其運(yùn)動(dòng)距離；Charrière等[22]通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)Frank 滑坡進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)源區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面在滑坡動(dòng)力破碎過程中起著至關(guān)重要的控制作用，并且也影響滑坡堆積體表層堆積特征；Lin 等[23]使用可破碎的相似塊體進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，通過改變?cè)磪^(qū)相似塊體的節(jié)理組數(shù)、節(jié)理方向等條件，發(fā)現(xiàn)初始結(jié)構(gòu)對(duì)破碎程度等有極大影響。目前這些研究主要集中于討論巖體結(jié)構(gòu)對(duì)破碎程度的影響，并且考慮巖體結(jié)構(gòu)的形式較為單一。為了充分考慮不同巖體結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)距離和堆積特征的影響，本文以亂石包滑坡為依據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用相似材料進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬的尺寸完全還原室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬中材料的參數(shù)根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正，摩擦和阻尼根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確的重現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，具有合理性。

在上述基礎(chǔ)上，本文設(shè)置了四種工況，使用離散元數(shù)值模擬方法，通過模擬不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面密度、結(jié)構(gòu)面方向和巖塊強(qiáng)度下巖質(zhì)滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)過程，研究了結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體特征對(duì)巖質(zhì)滑坡破碎特征、運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)距離的影響規(guī)律及影響機(jī)制。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)及工況設(shè)置

數(shù)值模擬模型是以室內(nèi)斜板試驗(yàn)為依據(jù)建立的，通過對(duì)滑坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，室內(nèi)斜板試驗(yàn)主要包括：物源區(qū)，由透明亞克力板圍成；運(yùn)動(dòng)區(qū)，1 m×3 m 的斜板；堆積區(qū)，2 m×3 m 的水平底板（圖1）。

圖1 （a）室內(nèi)試驗(yàn)裝置和（b）斜板試驗(yàn)數(shù)值模擬模型Fig.1 (a) Experimental setup and (b) numerical simulation model diagram of inclined plate experiment

相似塊體以亂石包滑坡巖體為原型，依據(jù)量綱分析計(jì)算出的相似材料理論強(qiáng)度參數(shù)，再選取相應(yīng)的原材料進(jìn)行制樣，制得的相似材料可以基本滿足理論力學(xué)特征。有關(guān)試驗(yàn)裝置、相似材料和相關(guān)物理模型試驗(yàn)可以參考之前的工作[24]。

整個(gè)試驗(yàn)過程包括無初速度的釋放源區(qū)物料，使相似塊體沿斜板向下滑動(dòng)，斜板與地板轉(zhuǎn)折處正上方的高速攝影機(jī)（baumer VCXU-02M）記錄轉(zhuǎn)折處的撞擊過程，斜板裝置的正前方和水平底板上堆積區(qū)正上方分別設(shè)有照相機(jī)（尼康D7000）記錄運(yùn)動(dòng)過程。

為了充分研究巖體結(jié)構(gòu)對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程和堆積形態(tài)的影響，本文用數(shù)值模擬的方法，主要對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面密度、結(jié)構(gòu)面方向和巖塊強(qiáng)度進(jìn)行研究。設(shè)置工況如表1，單個(gè)完整塊體的尺寸為200 mm×200 mm×36 mm，通過改變模型結(jié)構(gòu)面5 mm 內(nèi)的黏度值模擬不同強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面。以結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度為研究對(duì)象時(shí)，結(jié)構(gòu)面的黏度值不斷增大；以巖塊強(qiáng)度為研究對(duì)象時(shí)，令結(jié)構(gòu)面黏度值恒定，使巖塊黏度值不斷增大；以其他參數(shù)為研究變量時(shí)，結(jié)構(gòu)面黏度值保持不變（具體設(shè)置見表1）。

1.2 DEM 模型的建立

本文使用數(shù)值模擬軟件PFC3D 對(duì)巖體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬。將PFC3D 中的基本單元球（ball）經(jīng)黏結(jié)組成的整體模擬顆粒材料，在顆粒材料周圍以墻（wall）圍成其邊界（主要采用的黏結(jié)模型為線性模型和線性平行黏結(jié)模型）。顆粒材料的宏觀性質(zhì)通過集合體中球的運(yùn)動(dòng)和相互作用決定。PFC3D以牛頓運(yùn)動(dòng)定律和力與位移定律為基礎(chǔ)。通過循環(huán)計(jì)算更新顆粒之間接觸力及顆粒位移關(guān)系[25-26]。每一個(gè)時(shí)步對(duì)應(yīng)一種狀態(tài)。在動(dòng)態(tài)模擬中，時(shí)步值很小，每個(gè)時(shí)步內(nèi)顆粒只會(huì)和相鄰顆粒產(chǎn)生相互作用，并不會(huì)對(duì)其他顆粒產(chǎn)生影響，顆粒的宏觀運(yùn)動(dòng)由每個(gè)時(shí)步的位移和力的累計(jì)確定。

PFC3D 中宏微觀參數(shù)并非完全對(duì)應(yīng)。因此，在數(shù)值模擬之前應(yīng)該先對(duì)微觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，一般常用單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)等[27-28]。本文通過單軸壓縮試驗(yàn)獲得相似塊體的宏觀參數(shù)（泊松比，抗壓強(qiáng)度等），再通過試錯(cuò)的辦法來調(diào)整微觀參數(shù)值，使模型的宏觀參數(shù)滿足要求，來標(biāo)定黏結(jié)模型的微觀參數(shù)值（表2）。圖2（a）是數(shù)值模擬試樣和室內(nèi)試驗(yàn)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比圖，圖2（b）是模擬試樣和試驗(yàn)試樣的破壞形式，從中可以看出二者具有相似的破壞形式，并且應(yīng)力應(yīng)變曲線也有著相似的趨勢(shì)。

圖2 （a）相似材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比圖和（b）單軸壓縮試驗(yàn)下相似材料破壞特征圖Fig.2 (a) Stress-strain curves of the block in DEM simulations and experiments and (b) fracture characteristics of samples in the uniaxial compressive test of laboratory and DEM simulation

離散元模型中，斜板規(guī)格完全還原室內(nèi)試驗(yàn)的規(guī)格，如圖1。選用墻單元作為水平底板和斜板，相似塊體材料由球（ball）組成，接觸本構(gòu)模型選用平行黏結(jié)模型。結(jié)構(gòu)面的設(shè)置方法采用Zhao 等[29]給出的建議，通過對(duì)結(jié)構(gòu)面約4～5 mm 范圍內(nèi)的顆粒去掉黏結(jié)來實(shí)現(xiàn)。與物理模型試驗(yàn)不同，顆粒材料不是在斜板頂部釋放，而是在轉(zhuǎn)折端以3.75 m/s 的初速度釋放，如圖1（b）中藍(lán)色塊體所示，初速度是通過物理模型試驗(yàn)在同一位置獲得的，這樣做是為了消除相似材料在斜板上滑動(dòng)過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)所帶來的誤差。離散元模型中主要由施加阻尼和摩擦進(jìn)行能耗，摩擦取值為0.577，與物理模型試驗(yàn)中取值一樣；此外，通過與完整塊體室內(nèi)斜板試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，當(dāng)數(shù)值模擬宏觀參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果一致時(shí)，確定數(shù)值模擬微觀參數(shù)值（表2）。

表2 數(shù)值模擬微觀參數(shù)值Table 2 Calibrated values of the input micro-parameters of the numerical simulations

1.3 模型驗(yàn)證

本小節(jié)對(duì)完整工況進(jìn)行一次數(shù)值模擬，并從堆積形態(tài)、粒徑分布等方面進(jìn)行對(duì)比及討論，主要考慮的參數(shù)有前緣運(yùn)動(dòng)距離Lf、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離Lg、分布面積Sa和相對(duì)破碎率BR[30]，再將Lg、Lf和Sa進(jìn)行無量綱化處理，便于統(tǒng)一對(duì)比。其中Lg為滑塊運(yùn)動(dòng)前后質(zhì)心之間的水平距離；Lf為堆積體最前端與滑緣最后端之間的水平距離；L為滑塊沿斜面下滑長(zhǎng)度；h為滑塊厚度；l為滑塊長(zhǎng)度；為了便于統(tǒng)計(jì)將顆粒累積質(zhì)量占比為95%所處的位置定義為堆積體最前端；分布面積Sa的算法為：Sa=w·Ls，其中w定義為堆積體兩側(cè)顆粒累積質(zhì)量占比分別達(dá)到95%所處位置之間的距離，Ls為塊體最前端與轉(zhuǎn)折段之間的水平距離（圖3）；相對(duì)破碎率[20,31]是評(píng)估塊體破碎程度的一種量化指標(biāo)。

圖3 模型參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of model parameters

從圖4（a）堆積形態(tài)對(duì)比圖可以看出，物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的堆積特征具有一致性，粒徑分布為大塊體（綠色）居多，碎屑顆粒（藍(lán)色）較少且分布在底面，較大的塊體主要集中在轉(zhuǎn)折端附近。由圖4（b）的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以看出，試驗(yàn)和模擬的Lg和Sa基本可以保持一致，數(shù)值模擬中Ls偏大，這是因?yàn)閿?shù)值模擬中破碎巖體破碎成基本單元（ball）后，無法繼續(xù)發(fā)生破壞，且運(yùn)動(dòng)性更高，導(dǎo)致了Ls稍大。

圖4 （a）試驗(yàn)與模擬堆積特征對(duì)比、（b）主要參數(shù)、（c）試驗(yàn)與（d）模擬初始及最終粒徑分布圖Fig.4 (a) Deposit characteristics of intact block in the DEM simulations and experiments，(b) major parameters，(c)fragment size distribution of intact block in the DEM simulations and (d) fragment size distribution of intact block in experiments

由于上述問題導(dǎo)致數(shù)值模擬中無法采用常規(guī)方法統(tǒng)計(jì)粒徑，因此本文采用如下方法統(tǒng)計(jì)數(shù)值模型的粒徑[30]，具體算法如式（1）：

式中：Deq,i——模型中等效粒徑/m；

Vi——體積/m3。

圖4（c）與圖4（d）反映出室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩者的粒徑分布規(guī)律基本一致，但是因?yàn)閿?shù)值模型中顆粒半徑以及顆粒數(shù)無法對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)做到完全還原，且數(shù)值模型中的最小單元無法繼續(xù)破壞，所以模擬中統(tǒng)一將最小單元的質(zhì)量都?xì)w于5 mm 內(nèi)，這也就導(dǎo)致模擬工況的粒徑分布與試驗(yàn)工況略有不同，且破碎率0.278 也大于室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)算得到的0.155。

通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果經(jīng)過處理可以較為準(zhǔn)確的擬合物理模型試驗(yàn)的結(jié)果，并且可以對(duì)各種試驗(yàn)條件進(jìn)行理想化處理，避免試驗(yàn)中的人工誤差，也可以通過數(shù)值模擬研究室內(nèi)試驗(yàn)難以觀察到的其他現(xiàn)象，因此該模型可以很好地模擬室內(nèi)斜板試驗(yàn)。

2 影響因素分析

2.1 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度

巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的變化對(duì)巖體的破壞形式起著控制作用。一般來說，當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí)，塊體先順著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生破壞，進(jìn)而破壞擴(kuò)展到整體；當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度增大時(shí)，結(jié)構(gòu)面和巖塊可能會(huì)一起發(fā)生破壞，甚至巖塊先于結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。圖5 表現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度下，巖塊在碰撞轉(zhuǎn)折段瞬間（t=0.002 5 s）的裂紋分布特征及沉積形式，其中巖塊強(qiáng)度恒定。從裂紋分布圖中可以看出，無論結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的高低，巖塊前端的底部都分布極多的裂紋，這說明在受到碰撞之后，前端底部相較于其他部位的破碎更為嚴(yán)重。觀察低結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度工況（SJ-0.05）可知，碰撞時(shí)裂紋大多集中于結(jié)構(gòu)面，說明破壞是沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)展的，結(jié)構(gòu)面貫通，巖體發(fā)生破壞。隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度逐漸變高，塊體后部的水平向（順層）結(jié)構(gòu)面和縱向結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生的裂紋逐漸減少，結(jié)構(gòu)面貫通程度降低，塊體后部的裂紋也逐漸變少，前部裂紋逐漸變得密集并開始出現(xiàn)較明顯的連續(xù)裂紋，巖體破壞形式發(fā)生改變。對(duì)于橫向結(jié)構(gòu)面而言，SJ-0.05 到SJ-0.3 中大量裂紋都集中于橫向結(jié)構(gòu)面上且橫向結(jié)構(gòu)面貫通，在SJ-0.5 中由于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較高，橫向結(jié)構(gòu)面并未貫通，裂紋也是斷續(xù)產(chǎn)生的，這會(huì)使塊體作為一個(gè)整體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低的工況。

圖5 不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度下撞擊瞬間裂紋分布及最終堆積圖Fig.5 Crack distribution and deposit characteristics of sliding masses with different joint strength

對(duì)于SJ-0.05、SJ-0.1 和SJ-0.2 工況而言，破碎率都較為接近，分別為0.388、0.389 和0.385，且最終堆積形態(tài)基本一致，說明結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí)，結(jié)構(gòu)面控制著巖體的破壞形式和堆積形式；同SJ-0.3（BR=0.414）和SJ-0.5（BR=0.335）工況相比，堆積形態(tài)同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低的工況有較大差別，這也說明結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較高時(shí)，塊體的破壞形式和堆積形式由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同控制，破壞不僅發(fā)生在結(jié)構(gòu)面處，也發(fā)生在塊體的其他位置。因此，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度變大，裂紋變稀疏，塊體后部的破壞程度降低。

從圖6 可以看出Lf和Sa與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的相關(guān)性不大，結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度對(duì)Lf的影響幅度在4%左右浮動(dòng)，而對(duì)Sa的影響幅度在14%左右，說明結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的大小對(duì)于塊體的運(yùn)動(dòng)形式具有一定程度的影響；Lg隨結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的增加而增加，結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度提升10 倍，Lg增加3%，工況SJ-0.5 的Lg最大，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度較大，撞擊瞬間橫向結(jié)構(gòu)面并未完全未貫通，塊體作為一個(gè)整體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)心運(yùn)動(dòng)距離較大。

圖6 運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度的變化Fig.6 Motion parameters of different joint strength

2.2 結(jié)構(gòu)面密度

圖7 是不同結(jié)構(gòu)面密度工況的最終堆積形式。從圖中可以看出M1 工況完整巖體破碎后形態(tài)各異，而M2 和M3 工況塊體破碎后還有部分較為完好的保持原始?jí)K體的形狀，這種堆積形式表明破壞更容易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生；此外可以看出M1 工況塊體在碰撞過后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)了一定距離再開始堆積，而M2 和M3工況塊體則是一經(jīng)碰撞，立馬在原地進(jìn)行堆積，甚至有部分塊體滯留在轉(zhuǎn)折端上部區(qū)域，這也表明結(jié)構(gòu)面對(duì)于巖體堆積位置有著明顯的影響；從破碎率可以看出，結(jié)構(gòu)面密度越大，巖體破碎率越高。

圖7 不同結(jié)構(gòu)面密度堆積圖Fig.7 Deposit characteristics of sliding masses with different joint densities

圖8 是不同結(jié)構(gòu)面密度工況BR隨時(shí)間變化的關(guān)系。由圖可見破碎主要是發(fā)生0～0.05 s 之內(nèi)，后續(xù)的破碎相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，說明塊體與轉(zhuǎn)折端的碰撞是產(chǎn)生破碎主因。另外，碰撞后較短時(shí)間內(nèi)，破碎率與結(jié)構(gòu)面密度呈正相關(guān)，即碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)面密度越大，破碎程度也就越高。

圖8 不同結(jié)構(gòu)面密度工況下BR 隨時(shí)間的變化Fig.8 Relative breakage ratio versus time under different joint densities

從圖9 可以看出隨著結(jié)構(gòu)面密度不斷增大，Lg逐漸減小，而對(duì)前緣運(yùn)動(dòng)距離Lf和Sa并沒有顯著影響；當(dāng)結(jié)構(gòu)面密度進(jìn)一步增大時(shí)，Lf和Sa都表現(xiàn)出驟降的趨勢(shì)。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)面密度增加到一定程度時(shí)，塊體的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)都呈下降趨勢(shì)，且塊體的破碎程度會(huì)增大。

圖9 不同結(jié)構(gòu)面密度工況下運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖Fig.9 Motion parameters of different joint densities

2.3 結(jié)構(gòu)面方向

圖10 是不同結(jié)構(gòu)面方向工況堆積圖，圖11 是不同結(jié)構(gòu)面方向工況運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖。從圖10 中可以看出三種不同工況的堆積形式各不相同。D1 是橫向結(jié)構(gòu)面塊體，塊體被結(jié)構(gòu)面分割成前中后三部分，破碎程度從前往后依次降低，且后部塊體較為完整，這表明由于前部塊體的阻擋，后部塊體在撞擊轉(zhuǎn)折端時(shí)的速度較低，不足以發(fā)生破碎；D2 是縱向結(jié)構(gòu)面塊體，塊體被結(jié)構(gòu)面分割成左中右三部分，最終堆積形式具有一定的對(duì)稱性，各部分破碎形式較為相似；D3 是水平向結(jié)構(gòu)面（順層）塊體，塊體被結(jié)構(gòu)面切割成上中下三層，破碎程度較大，在轉(zhuǎn)折端處有較多堆積，說明下層塊體在上層塊體和轉(zhuǎn)折端的約束下，撞擊時(shí)的速度較小。D3 工況堆積體中碎屑顆粒（藍(lán)色）明顯多于D1與D2 工況，三種工況的破碎率大小關(guān)系為：D1＜D2＜D3，說明順層巖塊破碎的可能性更高。

圖10 不同結(jié)構(gòu)面方向工況下堆積圖Fig.10 Deposit characteristics of sliding masses with different joint directions

由圖11 中可知，D1 和D2 的運(yùn)動(dòng)參數(shù)比較接近，對(duì)于D3 工況而言，Lg與Lf均降低10%左右，Sa則縮減接近30%。這表明順層巖塊在發(fā)生碰撞后更易發(fā)生破碎且破碎程度更大，并且層間咬合與摩擦?xí)a(chǎn)生極大的能耗，最終使得運(yùn)動(dòng)距離變近，Sa降低。

圖11 不同結(jié)構(gòu)面方向工況下運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖Fig.11 Motion parameters of different joint directions

2.4 巖塊強(qiáng)度

影響堆積形式和破碎程度的因素除結(jié)構(gòu)面參數(shù)外，巖塊本身的強(qiáng)度也是不可忽略的。圖12 和圖13是不同巖塊強(qiáng)度工況的最終堆積圖，從圖中可以看出，S1-0.5 和S2-0.5 都存在著大量的單個(gè)顆粒，分布在堆積體底部，表面只有極少數(shù)的塊體分布，破碎程度很高，破碎率分別為0.503 和0.564，當(dāng)巖塊強(qiáng)度不斷增大時(shí)，堆積體主要以大尺寸塊體為主，碎屑顆粒數(shù)目逐漸減小。同時(shí)在巖塊強(qiáng)度相同的情況下，結(jié)構(gòu)面塊體S2 的破碎率要始終高于完整塊體S1，這說明巖塊強(qiáng)度恒定，結(jié)構(gòu)面會(huì)使堆積體的破碎程度有所增加。

圖12 不同巖塊強(qiáng)度下S1 工況堆積圖Fig.12 Deposit characteristics of S1 with different block strength

圖13 不同巖塊強(qiáng)度下S2 工況堆積圖Fig.13 Deposit characteristics of S2 with different block strength

圖14 為工況S1、S2 的巖塊強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)巖塊強(qiáng)度不斷增大，S1（完整巖體）和S2（含結(jié)構(gòu)面巖體）的Lg也隨之變大，但完整巖體工況的增幅為15%左右，比含結(jié)構(gòu)面巖體工況增幅明顯。由圖14 可知，完整巖體工況在低強(qiáng)度時(shí)，一經(jīng)碰撞就立馬在原位進(jìn)行堆積。而巖塊強(qiáng)度增加時(shí)，塊體先運(yùn)動(dòng)一定的距離，然后停積；而含結(jié)構(gòu)面巖體工況在不同強(qiáng)度下，一經(jīng)碰撞就立刻就地堆積一部分。這說明結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)顯著影響巖體的堆積形式，大幅度降低堆積體后緣運(yùn)動(dòng)距離。巖塊強(qiáng)度的增加使得S1 的Lf也有所增大，增幅為15%左右；而工況S2 的Lf先升再降，且當(dāng)巖塊強(qiáng)度較大時(shí)，S1 的Lf大于S2 的Lf。就分布面積Sa而言，巖塊強(qiáng)度的不斷增大，使得Sa先快速下降后趨于穩(wěn)定，最終縮減了約40%左右。

圖14 S1、S2 工況巖塊強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系圖Fig.14 Motion parameters of S1 and S2 with different uniaxial compression strength of block

3 討論

對(duì)于斜板數(shù)值模擬試驗(yàn)的建模模型而言，斜板可以看作是傾斜的滑動(dòng)面，底部平板可以看作是無側(cè)限的堆積區(qū)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程可以描述成結(jié)構(gòu)面巖體在平直的傾斜滑動(dòng)面經(jīng)加速后撞擊底面，在平面撒開區(qū)無側(cè)限的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和堆積的全過程，根據(jù)Hutchinson[32]的分類依據(jù)，斜板數(shù)值模擬試驗(yàn)可以看作平移型滑動(dòng)。盡管模擬較為簡(jiǎn)單，不足以涵蓋自然界中滑坡的所有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要素，但對(duì)于滑坡的運(yùn)動(dòng)過程和堆積形式的初步研究是合理并可行的[20-21,33-34]。

在前面的研究中，可以看出巖體結(jié)構(gòu)伴隨整個(gè)大型巖質(zhì)滑坡的滑動(dòng)過程，控制著滑坡的破壞機(jī)制與運(yùn)動(dòng)方式。由于巖質(zhì)滑坡結(jié)構(gòu)面中膠結(jié)程度的不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度有著顯著差別，由模擬結(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低的情況下，結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)影響到Lf、Lg和Sa，但并沒有表現(xiàn)出較為明顯的趨勢(shì)，而當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較高時(shí)（SJ-0.5），Lg增大。之所以有這樣的結(jié)果，首先因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面強(qiáng)度增加，破碎率明顯降低，由于破碎而引起的能量消耗也隨之減少，因此質(zhì)心運(yùn)動(dòng)增加，另外由于較高的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，使得塊體在撞擊轉(zhuǎn)折端的瞬間橫向發(fā)育的結(jié)構(gòu)面并沒有貫通，破碎時(shí)間延后，在水平底板上保持相對(duì)完整的形態(tài)運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間，這期間破碎顆粒之間相互作用所消耗的能量低于前面幾組工況，因此有較大的Lg。就結(jié)構(gòu)面密度而言，結(jié)構(gòu)面密度越大，表明巖體所處的應(yīng)力環(huán)境越復(fù)雜，可能同時(shí)或先后經(jīng)歷過多次強(qiáng)烈的構(gòu)造作用，其性質(zhì)較原巖可能會(huì)有很大改變，如M3 工況相較于M1工況，巖體性質(zhì)更為脆弱，一旦失穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)過程中更易破碎（圖9），且破碎過程發(fā)生在整個(gè)運(yùn)動(dòng)全過程，在撞擊地面時(shí)尤為突出，又由于破碎導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中顆粒之間相互作用導(dǎo)致能量消耗[23]，導(dǎo)致Lf和Sa降低，符合De Matos[35]提出的大型巖質(zhì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程中碎屑化進(jìn)程受結(jié)構(gòu)面密度影響的觀點(diǎn)。這表明對(duì)于結(jié)構(gòu)面密度較大的巖體在失穩(wěn)滑動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)距離和分布面積均有一定程度的減小。對(duì)于順層結(jié)構(gòu)面工況D3 而言，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成薄層狀，層與層之間的摩擦和咬合作用消耗大量的能量，并且在撞擊時(shí)更容易發(fā)生破碎，使得Lf和Lg降低，這印證了Locat 等[36]和 Crosta 等[37]的結(jié)論。與此同時(shí)，影響滑坡運(yùn)動(dòng)過程和堆積體最終形式的還有巖體強(qiáng)度，較低強(qiáng)度巖體而言，巖體強(qiáng)度較高的滑體其Lf和Lg也有一定程度的提高，反之，Sa會(huì)在一定限度內(nèi)降低，這是因?yàn)閺?qiáng)度較大的巖體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生額碎屑顆粒較少，其內(nèi)部由于顆粒間相互作用而造成額能量消散程度較低，最終導(dǎo)致較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離。

Haug[38]建立了物理模型試驗(yàn)尺度下塊體破碎程度與滑坡運(yùn)動(dòng)距離的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并與真實(shí)滑坡進(jìn)行對(duì)比。其中，塊體破碎程度用mc表示，即試樣總質(zhì)量M與破碎后最大塊體的質(zhì)量mmax之比。我們將數(shù)值模擬結(jié)果與Haug 的模型試驗(yàn)和真實(shí)滑坡進(jìn)行對(duì)比，繪制了圖15。圖中，藍(lán)色曲線是Haug 根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)公式（式2）代入合適參數(shù)后繪制的擬合曲線；黑色曲線是選取本文數(shù)值模擬的對(duì)應(yīng)參數(shù)，基于Haug 經(jīng)驗(yàn)公式繪制的模擬結(jié)果擬合曲線。從對(duì)比圖中可觀察到，數(shù)值模擬中破碎塊體的運(yùn)動(dòng)距離整體小于物理模型試驗(yàn)，其原因在于我們的模擬使用了相對(duì)較高的底面摩擦系數(shù)，以及數(shù)值模擬中塊體破碎消耗更多的能量[24]。Haug 的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)m＜5 時(shí)，H/D（源區(qū)巖體后緣距水平面垂直距離H，源區(qū)巖體后緣距堆積體前緣水平距離D）呈下降趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)距離增長(zhǎng)，堆積范圍增加；當(dāng)m＞5 時(shí)，由于破碎程度進(jìn)一步增大，加劇了顆粒之間相互作用，導(dǎo)致耗能逐步增加，運(yùn)動(dòng)距離有所減小，H/D開始緩慢增長(zhǎng)。而數(shù)值模擬結(jié)果顯示，整體上隨破碎程度增加，H/D逐漸上升，與Haug的分析一致，說明破碎有助于滑坡在堆積區(qū)擴(kuò)散更大的范圍。真實(shí)滑坡破碎程度與運(yùn)動(dòng)距離顯示出極大的離散性。因此，可以認(rèn)為，摩擦系數(shù)控制了滑體的運(yùn)動(dòng)距離，而破碎程度進(jìn)一步影響滑體的擴(kuò)散范圍，兩者共同作用，最終決定高速遠(yuǎn)程的滑坡危害區(qū)域。

圖15 破碎度與表觀摩擦系數(shù)關(guān)系圖Fig.15 Heim’s ratio for experiments with different degrees of fragmentation

其中，根據(jù)Haug[21]文中建議，令α=0.11，β=0.68，γ=2.0；根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置，令μ=0.51，θ=45°。

數(shù)值模擬中還有一個(gè)比較重要的現(xiàn)象，當(dāng)巖體強(qiáng)度相同時(shí)，結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)影響相對(duì)破碎率的大?。▓D13、圖14），結(jié)構(gòu)面巖體工況S2-2.0 的相對(duì)破碎率明顯高于完整巖體S1-2.0，但是隨著破碎程度的增加，Lf和Lg都出現(xiàn)了不同程度的降低，這同Haug 等[21]室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)論相反，并且也不符合Bowman[20]論文中所總結(jié)的真實(shí)案例的現(xiàn)象。造成這樣的結(jié)果是因?yàn)閿?shù)值模擬中顆粒數(shù)較少（相較于物理模型試驗(yàn)），所以顆粒間連接的斷裂需要耗費(fèi)更多的能量；并且數(shù)值模擬中粒徑的統(tǒng)計(jì)也同物理試驗(yàn)存在區(qū)別，這就導(dǎo)致離散元模型無法較為準(zhǔn)確的模擬碰撞過程中滑體前端底部的局部塑性變形和沖擊力[24]。因此在后續(xù)的研究中應(yīng)該進(jìn)一步完善參數(shù)標(biāo)定的方法，使數(shù)值模型更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

在自然條件下滑體通常以不連續(xù)體的形式存在，其中存在著大量的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的各種屬性及巖塊強(qiáng)度等因素都會(huì)影響巖質(zhì)滑坡的運(yùn)動(dòng)距離和堆積特征。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面密度、結(jié)構(gòu)面方向和巖塊強(qiáng)度下巖質(zhì)滑坡碎屑化運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行離散元數(shù)值模擬，研究了結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體特征對(duì)巖質(zhì)滑坡破碎特征、運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)距離的影響規(guī)律及影響機(jī)制。主要研究結(jié)果如下：

（1）巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的變化對(duì)巖體的破壞形式起著控制作用。一般來說，當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí)，塊體先順著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生破壞，進(jìn)而破壞擴(kuò)展到整體；當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度增大時(shí)，結(jié)構(gòu)面和巖塊可能會(huì)一起發(fā)生破壞，甚至巖塊先于結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，且塊體后部的破壞程度降低。結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度由小變大，Lg整體呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度對(duì)前緣運(yùn)動(dòng)距離Lf的影響幅度在4%左右，而對(duì)分布面積Sa的影響幅度在14%左右；Lg隨結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的增加而增加，結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度提升10 倍，Lg增加3%。

（2）Lf、Lg和Sa在結(jié)構(gòu)面密度較高時(shí)，與結(jié)構(gòu)面密度呈負(fù)相關(guān)；塊體的相對(duì)破碎率與結(jié)構(gòu)面密度呈正相關(guān)，破碎主要發(fā)生在撞擊轉(zhuǎn)折端瞬間，且破壞首先沿結(jié)構(gòu)面方向產(chǎn)生。

（3）水平向結(jié)構(gòu)面巖體的破碎率要大于其他方向結(jié)構(gòu)面巖體的破碎率。與其他方向結(jié)構(gòu)面巖體相比，水平向結(jié)構(gòu)面巖體的Lf和Lg均降低10%左右，Sa則縮減接近30%，這表明順層巖塊失穩(wěn)后破碎的可能性更大，同時(shí)破碎程度更高，并且層間相互作用會(huì)產(chǎn)生大量能耗，使Lf、Sa降低。

（4）巖塊強(qiáng)度增加，使堆積體中單個(gè)顆粒的數(shù)目減少，堆積體主要以大尺寸塊體為主，破碎程度減小。巖塊強(qiáng)度恒定，結(jié)構(gòu)面會(huì)使堆積體的破碎程度增加。巖塊強(qiáng)度與完整塊體工況S1 的Lf和Lg呈正相關(guān)，且最終增幅在15%左右，均大于結(jié)構(gòu)面巖體工況S2 的增幅。對(duì)于Sa，S1 和S2 均快速下降后保持穩(wěn)定，巖塊強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，Sa不再發(fā)生明顯變化，最終縮減了約40%。